基于FPGA的多通道数据采集电路的设计及实现 数据采集, 通道

pengpengpang

摘要: 介绍了一个基于FPGA 的多通道信号采集电路。该电路以FPGA 芯片XC3S400 作为电路的主控制器，采用电子开关ADG708 对7 路信号进行了循环采集，使用AD7667 作为模数转换器，由主控制器FPGA 控制，将采集到的模拟信号转换为数字信号。然后，通过单片机CY7C68013 与上位机通信，将采集到的信号通过上位机软件读出并画图显示。通过试验已验证了该采集电路的功能的有效性。
0 引言
数据采集是信号处理过程中非常重要的一个环节，现场可编程门阵列FPGA 具有高集成度、高效率、设计灵活以及功耗低等特点，FPGA 以其特有的复杂硬件逻辑控制能力与实时性、同步性被广泛应用到数据采集存储系统中［1 － 2］。本设计提出了一种基于FPGA 的多通道数据采集电路的设计方法。主要用来获取飞行器在飞行过程中的各种飞行参数，供其降落后回收原始数据，通过上位机软件在PC 机中读取飞行原始数据并实现原始数据的拆分以及绘图，供试验后进行数据分析，从而对飞行器的各项性能进行评估和验证。
1 硬件电路设计
1． 1 硬件电路的功能
该电路完成记录仪的采集功能，采集一路直流电压信号和6 路振动传感器信号，具体指标如下:
( 1) 直流电压: 测量范围: 0 ～ 100V; 精度: 1%; 采样率: 50kHz。
( 2) 振动传感器信号: 测量范围: ± 10g; 精度:1%; 采样率: 10kHz。
另外，该电路完成与上位机之间的通信，控制整个记录仪的工作状态。通过配套的上位机软件对记录仪下发各种命令，并将转换存储到flash 中的数字信号上传到上位机供分析。
1． 2 硬件电路的原理
电路工作框图如图1 所示，待采集模拟信号经前级调理电路跟随调理后，主控制器FPGA 控制模拟开
关切换通道，实现了对6 路传感器振动模拟量以及1路直流电压的循环采集，FPGA 控制模数转换器AD7667，将采集到的模拟信号转换为数字信号并写入flash 存储器。试验后，通过USB2． 0 接口连接到上位机，用上位机软件对单片机发送读数命令，将flash 存储器中的数据读到上位机显示并处理分析。图1 中虚线部分为多通道采集控制模块。


2 功能模块化设计
对于一个复杂的系统，其功能具有多样化，一般要求硬件设计采用功能模块化的设计方法。把一个系统根据其功能的不同分解成多个模块，各模块具有相对独立性，而局部范围之间存在一定联系，有助于系统设计、调试以及维护，又易于功能的扩展［3］。该电路设计过程中，主要功能模块有采集记录功能模块和USB 接口模块。其中，采集记录模块是整个电路的核心，主要任务是采集待测信号、上传数据和控制其它电路。
2． 1 采集记录模块
2． 1． 1 采集模块设计
采集记录模块主要完成2 个三轴振动传感器( 共6 路) 和1 路直流电压信号的采样、编帧和记录，原理框图如图2 所示。


直流电压信号的测量范围为0 ～ 100V，跟随前需要进行分压，将输入芯片AD824 的电压控制在0 ～3V，并用线性光耦HCNR201 进行电气隔离，最后将电压范围调理到模拟开关ADG708 的模拟输入电压范围0 ～ 5V。调理电路如图3 所示。


6 路传感器信号进入电路后，经过放大器AD824跟随调理输出的信号与调理后的直流信号一起进入模拟电子开关ADG708，ADG708 由FPGA 控制，A0、A1、A2 地址线决定选择一路信号输出，输出信号经AD8031 跟随后，增加了驱动能力，被AD7667 采样。采样字长为16 位，采集编帧后的数据存储到flash 存储器。采集电路设计如图4 所示。


2． 1． 2 AD7667 模块
AD7667 很容易被驱动，在本电路设计中采用AD8031 作为驱动器来增强信号的驱动能力，输出的信号被送入AD7667 进行转换。R48、C75 等阻容值采用AD7667 推荐值。
FPGA 控制AD7667，进入采集状态后，先启动AD7667 转换，转换完成后，以并行方式输出数据。在硬件电路设计上，为节约FPGA 的I /O 资源，降低硬件成本，转换得到的16 位的高精度数据以高8 位( byte = 1) 和低8 位( byte = 0) 分时从AD7667 的AD［7: 0］输出［4］。
2． 1． 3 FPGA 模块
该电路设计采用的FPGA 是XC2S400，该芯片有丰富的输入输出管脚和宏单元，通过VHDL 语言编程实现硬件逻辑功能，可以反复修改和擦除。
为了克服数据写入FPGA 和读出的速率不一致，此电路在FPGA 内部构建容量为2kB 的FIFO存储器，具有数据缓冲的功能［4 － 5］。实际调试过程中得到，2kB 容量的大小远远大于该时段内所能送来的最多数据量，这样就避免了溢出而造成的数据丢失。
FPGA 控制电路采集模拟信号，经过模数转换器转换后得到连续的数字信号，并将其写入FIFO 缓存中。FPGA 实时检测缓存器FIFO 的半满信号，每检测到该信号有效后，才开始从缓存器中读取数据并转发到flash 存储器，当读数速率较快并检测到FIFO半满信号无效时，停止读数。这样重复操作，实现数据的连续采集［6 － 8］。
2． 2 USB 接口模块设计
USB 接口模块是记录仪和上位机的通信接口，采用USB2． 0 high speed 标准协议，主要实现数据以及命令的上传和下传。
如图5 所示，接口模块由USB 物理接口、USB 单片机、配置PROM 组成，该电路通过USB 接口模块发送擦除、记录、读数等命令，USB 单片机解析各种命令，并通过逻辑控制以及背板转发给记录仪的其它板卡电路。


3 试验结果
3． 1 测试试验
为验证该电路的采集功能，采用信号源输出的正弦波为待采集信号，提供6 路模拟信号。设置待测信号为正弦波，峰峰值为5V，零位为2． 5V，保证输出信号在0 ～ 5V 范围内。采用电源的输出为直流电压，范围应为0 ～ 100V，设置待采直流电压为80． 6V。应用上位机软件通过USB 接口控制电路，进行数据采集、读数、数据分析并绘图，验证此电路采集功能的正确性及准确性。
用USB 数据线将电路与上位机连接，点击“连接设备”、“复位设备”分别在软件提示区显示“连接USB 设备: 成功”，“设备复位: 成功”然后，启动设备进行数据采集，采集适当的时间后，本试验采集了15min 后，进行设备读数，分析回读数据。分析数据无误后进行绘图，采集得到的信号如图6 所示，6 路正弦信号输出波形一样，为显示清晰，图中只显示了其中三路的信号波形。





结合图6 和表1 可以得出，该多通道采集电路可正确实现信号的采集，并具有相当高的准确度。此外，该电路还做了温循试验，试验表明，此电路在高温+ 60℃及低温－ 40℃也可保持很稳定的采集性能。
4 结束语
设计了多通道采集电路并可以通过USB2． 0 接口与上位机通信，从上位机获得采集到的数据，供地面人员对原始数据进行研究，从而指导实际应用。试验验证了此电路功能的可实现性及精确性。
作者：程惠，任勇峰，王强，董小娜 来源：电测与仪表总第50卷第565 期